Специалисты из России разработали инновационный материал, объединяющий наночастицы золота и особую пористую керамику. Это изобретение открывает путь к созданию устойчивых и высокоэффективных биокатализаторов многократного применения.
Как сообщили ТАСС в пресс-службе Российского научного фонда (РНФ), новая разработка позволяет защищать ферментные молекулы от воздействия высоких температур и одновременно значительно повышать их активность.
Ирина Петрова
Иллюстративное фото наночастиц золота. Источник: pharmmedprom.ru
По словам Андрея Дроздова, старшего научного сотрудника Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус», данная концепция обладает большим потенциалом для медицины, биотехнологий и «зеленого перехода». В планах исследователей — продолжение работы в этом направлении, а также масштабирование технологии для промышленного применения, в частности для улавливания углекислого газа.
Нанозолото и керамика защищают ферменты
Природные ферменты способны ускорять множество химических реакций, включая те, что используются при производстве топлива, лекарств, пластмасс и других материалов. Однако на практике их применение ограничено: вне живых клеток ферментные молекулы обычно теряют стабильность и разрушаются при нагреве выше 50 градусов Цельсия.
Ученые из университета «Сириус» совместно с коллегами из МФТИ предложили решение обеих проблем — поместить ферментные молекулы в структуру из наночастиц золота и пористой керамики на основе оксида алюминия. Керамический компонент стабилизирует биокатализаторы и защищает их от термического разрушения, а наночастицы золота дают возможность управлять работой ферментов с помощью импульсов инфракрасного излучения.
Столь заметное повышение термостабильности карбоангидразы имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение. В обычных условиях этот фермент, как и большинство белков, быстро денатурирует при нагревании: тепловое движение разрушает слабые связи, поддерживающие пространственную структуру молекулы, и она необратимо теряет способность связывать субстрат.
Пористая керамика на основе оксида алюминия, по-видимому, играет роль своеобразного каркаса, ограничивающего подвижность белковой глобулы и препятствующего её разворачиванию. Наночастицы золота при этом выполняют двойную функцию: они не только выступают плазменными антеннами, поглощающими инфракрасное излучение, но и создают локальные наноструктурированные области, в которых фермент сохраняет нативную конформацию.
Для проверки гипотезы исследователи «упаковали» таким образом молекулы карбоангидразы — фермента, участвующего в клеточном «дыхании» и ускоряющего превращение углекислого газа в угольную кислоту. Эксперименты показали, что защитная оболочка почти вдвое повысила термостойкость фермента: необратимое разрушение наступало не при 67 градусах, как обычно, а при 96–103 градусах Цельсия.
Воздействие инфракрасного лазера на материал увеличивает каталитическую активность фермента примерно в девять раз даже при очень малом содержании золотых наночастиц в керамике. Кроме того, материал выдержал 11 циклов нагрева и охлаждения без потери активности, что подтверждает возможность многократного использования таких «упакованных» ферментов для решения ключевых задач химической и биофармацевтической промышленности.
Механизм фотоактивации
Механизм фотоактивации заслуживает отдельного пояснения. При облучении инфракрасным лазером золотые наночастицы испытывают поверхностный плазменный резонанс, который сопровождается локальным разогревом нанометровых окрестностей частицы.
Этот нагрев, будучи кратковременным и пространственно ограниченным, не разрушает сам фермент, но ускоряет каталитические стадии, чувствительные к температуре. В результате наблюдаемая скорость превращения углекислого газа в угольную кислоту возрастает примерно в девять раз даже при очень низком содержании золота в керамической матрице.
Важно, что эффект достигается при дозах излучения, которые не приводят к деградации материала, а значит, процесс можно включать и выключать дистанционно, регулируя интенсивность и длительность импульсов.
Способность материала выдерживать 11 циклов нагрева и охлаждения без потери активности указывает на его потенциальную пригодность для повторного использования в промышленных условиях. Для биокатализаторов это принципиальный момент: в отличие от гомогенных ферментных препаратов, которые после каждой реакции теряются вместе с реакционной смесью, иммобилизованный катализатор можно отделять от продуктов простой фильтрацией или центрифугированием.
Керамическая основа при этом сохраняет механическую прочность, не набухает в водных средах и устойчива к большинству органических растворителей, что расширяет диапазон реакций, в которых такой материал может применяться.
Перспективы применения
Перспективы практического применения новой разработки связаны прежде всего с улавливанием углекислого газа. Карбоангидраза катализирует гидратацию CO₂ с высокой эффективностью, и её использование в системах газоочистки рассматривается как один из путей снижения углеродных выбросов.
Термостойкость до 96–103 градусов Цельсия особенно важна в этом контексте, поскольку отходящие газы многих промышленных процессов имеют температуру значительно выше 50 градусов, при которой обычные ферменты быстро выходят из строя. Возможность обойтись без предварительного охлаждения газового потока упрощает технологическую схему и снижает энергозатраты.
Помимо экологических задач, «упакованные» ферменты могут найти применение в тонком органическом синтезе и биофармацевтике, где требуется высокая селективность катализа и стабильность при многократном использовании.
Исследователи из «Сириуса» и МФТИ подчёркивают, что предложенная концепция не ограничивается карбоангидразой: подход с комбинацией пористой керамики и наночастиц золота в принципе применим и к другим ферментам, чувствительным к нагреву.
Дальнейшие шаги связаны с масштабированием технологии, оптимизацией состава керамической матрицы и плотности наночастиц, а также с проверкой материала в условиях, приближённых к реальным промышленным процессам.
